虛擬同步發(fā)電機技術(shù)對分布式發(fā)電并網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

黨 克，維力思

（東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012）

隨著國家大力發(fā)展新能源，各種分布式發(fā)電（DG）已取得長足發(fā)展。DG 在電網(wǎng)中所占比重逐年提升，同步電機裝機容量所占比重的下降，整個電力系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用容量和轉(zhuǎn)動慣量會相對減少。DG 以電力電子逆變器模式接入電網(wǎng)，由于該模式并未體現(xiàn)出系統(tǒng)慣性和同步特性，逆變器接入模式會增加電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)壓的難度，因此電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性會受到影響。如果增加儲能元件，將同步發(fā)電機、儲能、逆變器整體上看做一個同步發(fā)電機，采用合適的逆變器并網(wǎng)控制算法，從外特性上模擬同步發(fā)電機的頻率和電壓控制特性，該控制方式稱為虛擬同步電機（VSG）控制策略［1－5］。本文模擬一種同步發(fā)電機暫態(tài)特性計算，構(gòu)建了虛擬同步電機控制電路，并采用仿真對VSG 控制策略的可行性進行了評估。

1 VSG 技術(shù)

由于同步電機的轉(zhuǎn)子慣性和調(diào)頻特性能夠提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，如果借助儲能部件，使分布式電源表現(xiàn)出同步電機特性，可以大大提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。虛擬同步電機示意圖見圖1。

圖1 虛擬同步電機示意圖

VSG 的震蕩方程如下：

式中：J為轉(zhuǎn)動慣量；ω為轉(zhuǎn)子角速度；Pin為輸入功率；Pout為輸出功率。

圖2是設(shè)計框圖。Pin是分布式電源輸出到逆變器的功率，Pout是逆變器輸出到電網(wǎng)的輸出功率，Pout是根據(jù)電網(wǎng)頻率和電壓計算出來的。電網(wǎng)頻率f可以由PLL環(huán)（鎖相環(huán)）通過電網(wǎng)電壓計算得出，因此方程（1）可以解決VSG 控制模塊里的轉(zhuǎn)子角速度，ω在這種情況下稱為虛擬機械角速度。當確定轉(zhuǎn)子角速度時，可以同時確定虛擬機械角相位θ，因此，同步電機的特性可以通過這個數(shù)值作為逆變器輸出電壓的相位指令值來進行模擬。

圖2 VSG控制框圖

2 VSG 技術(shù)可行性仿真評估

2.1 從并網(wǎng)到孤島運行

分布式電源連接到電網(wǎng)時，逆變器一般采用電流控制策略。如果分布式電源和負載從電網(wǎng)脫離并處于孤島狀態(tài)，逆變器控制策略必須轉(zhuǎn)換為電壓控制策略。因此在出現(xiàn)并網(wǎng)到孤島狀態(tài)變換時，分布式電源不具備自我調(diào)節(jié)能力，整個系統(tǒng)可能會出現(xiàn)波動。在VSG 控制策略中，無論并網(wǎng)還是孤島狀態(tài)逆變器均采用同一種控制方式，因此系統(tǒng)更加穩(wěn)定。為了比較二者的穩(wěn)定性，本文對兩個并聯(lián)分布式電源做了一組，并網(wǎng)之后在第3s變成孤島狀態(tài)運行的仿真（見圖3）。負載A 是孤立負載，負載B 是連接負載。當孤島運行時，功率只能傳輸?shù)紸。A、B均為阻性負載，A 為20kW（2.0Ω），B為50kW（1.0Ω），額定電壓為220V。在負載連接或者分離的過程中，DG 的控制開關(guān)不允許改變。

圖3 DGs并網(wǎng)到孤島狀態(tài)仿真

圖4和圖5為仿真結(jié)果。由圖4a可知，在電流控制和電壓控制策略下，負載A 電壓上升到350V左右，約為額定電壓的1.59倍。由分布式電源特性可知，負載的功率被限制在60kW，即A 負載消耗了60kW，因此負載A 電壓為346V，計算結(jié)果同仿真結(jié)果一致。在現(xiàn)實中，由于瞬態(tài)電壓過高，該種操作在現(xiàn)實中是不允許的。由圖4b可知，兩臺機組會在孤島狀態(tài)初期輸出功率有較大的回落，但是很快就恢復(fù)到原有的功率輸出。圖5a中，采用VSG 控制時，負載電壓出現(xiàn)波動，但是不會大幅升高，同時電流保持穩(wěn)定；圖5b中，兩臺分布式電源擁有同步電機特性，可以根據(jù)負載波動自主調(diào)節(jié)功率輸出，因此具有良好的自我調(diào)節(jié)能力，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。從仿真可知，VSG 控制策略相比于電流和電壓控制策略對系統(tǒng)有更好的穩(wěn)定性。

圖4 DG采用電流控制仿真結(jié)果

2.2 孤島電網(wǎng)運行

圖5 DG采用VSG控制仿真結(jié)果

在僅由兩臺發(fā)電機和負載構(gòu)成的孤島電網(wǎng)中，該系統(tǒng)會采用主輔控制，一臺機組采用恒壓恒頻率控制，即主控制，另一臺采用電流控制方式，即輔控制。采用輔助電流控制策略的機組不能自主抵抗負載波動，整個系統(tǒng)擾動只能由主控制的機組獨自吸收，如果干擾過大就可能影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用VSG 控制時，兩臺機組均是自主操作，整個系統(tǒng)抗干擾能力大大提高。為了比較兩者的穩(wěn)定性，采用圖6進行仿真。系統(tǒng)在運行到第3s時切斷負載B。負載A 是孤立負載，負載B 是連接負載。當孤島出現(xiàn)負載波動時，功率只能傳輸?shù)紸。A、B 均為阻性負載，功率、電壓同2.1。在負載連接或者分離的過程中，DG 的控制開關(guān)不允許改變。

圖6 DG組孤島仿真

圖7和圖8 為孤島電網(wǎng)運行的仿真結(jié)果。圖7a表明，負載A 電壓上升到350V 左右，遠大于額定電壓，因此系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。由圖7b可知，由于負載波動，DG2 吸收DG1 產(chǎn)生的多余功率。因為DG 無法穩(wěn)定地吸收能量，因此DG2可能會停止工作，同時系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。圖8a中，采用VSG控制時，負載電壓A 在220V 上下波動。圖8b中，兩臺DG 均可以吸收負載波動，系統(tǒng)處于更加穩(wěn)定的狀態(tài)。從仿真結(jié)果可知，VSG 控制策略相比于主輔控制策略對系統(tǒng)有更好的穩(wěn)定性。

圖7 DG組采用主輔控制仿真結(jié)果

圖8 DG組采用VSG控制仿真結(jié)果

3 結(jié)論

通過加入逆變器和儲能元件并采用一種新的控制策略，可以使分布式電源獲得同步發(fā)電機的特性。因此可以解決大量分布式電源引入電網(wǎng)造成的不穩(wěn)定現(xiàn)象。本文對VSG 控制策略進行了仿真探究，仿真結(jié)果說明VSG控制策略可以提高分布式電源逆變器的穩(wěn)定性。

［1］ Tom Loix.Participation of inverter－connected distributed energy resources in grid voltage control.［D］.Leuven：Leuven Katholieke Universiteit，2011.

［2］ 張興，朱德斌，徐海珍.分布式發(fā)電中的虛擬同步發(fā)電技術(shù)［J］.電源學(xué)報，2012，5（3）；1－6.

［3］ 馮朵生，張淼，趙慧，等.太陽能發(fā)電技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2009.

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